La recherche directe aupr` es des collisioneurs

I.2.3.1 Les canaux de recherche du boson de Higgs

La figureI.17 montre les modes de production aupr`es des collisioneurs hadroniques et les canaux de d´esint´egrations du boson de Higgs [27][28]. La recherche du Higgs se divise de nos jours principalement suivant deux zones en masse : la r´egion de basse masse (< 140 GeV) o`u le boson de Higgs d´ecroˆıt majoritairement en une paire de quarks beaux, et la r´egion de haute masse o`u il d´ecroˆıt plutˆot en une paire de bosons W ou Z. Concernant les modes de production, la fusion de gluons reste majoritaire sur toute la plage en masse, suivie de modes de production associ´ee W H et ZH.

Il est n´ecessaire d’adapter la strat´egie de recherche en fonction de la masse du boson de Higgs mais ´egalement du type d’acc´el´erateur `a disposition. Par exemple dans un acc´el´erateur hadronique, le bruit de fond ne permet pas de consid´erer le mode de pro-duction par fusion de gluons pour un Higgs l´eger se d´esint´egrant en une paire de quarks beaux, au Tevatron on lui pr´ef´erera donc les modes de production associ´ees. Au LHC, ´

egalement pour combattre le bruit de fond multijet, on se concentre sur le canal H → γγ.

I.2.3.2 La recherche au LEP

Le LEP, le pr´ec´edent collisioneur en place au CERN, ´etait capable d’acc´el´erer des ´

electrons et des positrons `a une ´energie de 90 GeV au centre de masse `a ses d´ebuts en 1989 jusqu’`a une ´energie de 209 GeV en 2000 apr`es l’ajout de cavit´es acc´eleratrices. Dans ces conditions, le mode de production majoritaire pour le boson de Higgs du mod`ele

1 10 10² 10³ 100 120 140 160 180 200 qq → Wh qq → Zh gg → h bb → h qb → qth gg,qq → tth qq → qqh m_h[GeV] σ[fb] SM Higgs production TeV II

TeV4LHC Higgs working group

BR(H) bb^_ o⁺o^< cc^_ gg WW ZZ tt-aa Za M_H [GeV] 50 100 200 500 1000 10^-3 10^-2 10^-1 1

Figure I.17 – Modes de production (sections efficaces de production au Tevatron) et canaux de d´esint´egration du boson de Higgs.

standard est le processus de Higgsstrahlung e+e−→ HZ dont on peut voir le diagramme de Feynman sur la figure I.18. Le seuil cin´ematique de production ´etant alors de l’ordre de m_H = ^√s− mz, la plage de recherche au LEP ne concernait que le Higgs de masse inf´erieure `a 110-120 GeV.

La topologie principale recherch´ee est constitu´ee des produits de d´esint´egration du boson de Higgs – majoritairement en paire de quarks b ainsi que pour une faible proportion une paire de leptons tau – et les produits de d´esint´egration du boson Z. La fusion de bosons vecteurs W W/ZZ → H ´etait ´egalement exploit´ee bien que repr´esentant une part faible de la sensibilit´e.

Figure I.18 – Diagramme de Feynman de production d’un boson de Higgs par processus de Higgsstrahlung (`a gauche) ainsi que de fusion de bosons vecteurs (`a droite).

Les recherches ont ´et´e men´ees s´epar´ement pour les diff´erentes topologies correspondant aux diff´erents modes de d´ecroissance du boson Z : (H → b¯b, Z → ν¯ν, l+l−, q ¯q), respecti-vement les analyses `a ´energie manquante, leptoniques et enfin 4 jets. Viennent s’ajouter les analyses visant les ´etats finals faisant intervenir des leptons tau : (H→ b¯b, Z → τ+τ−)

et (H → τ+τ−, Z → q¯q). On peut remarquer que, bien que l’´energie au centre de masse ´

etait un facteur limitant pour la recherche du boson de Higgs sur un plage en masse im-portante, l’acc´el´erateur leptonique permettait un bien meilleur contrˆole du bruit de fond pour la d´esint´egration du Higgs en paire de quarks b. Comme ´evoqu´e pr´ec´edemment, l`a o`u un acc´el´erateur hadronique est noy´e sous le bruit de fond multijet, au LEP celui-ci ´etait g´erable. Apr`es une s´election des ´ev´enements pertinente pour chaque ´etat final, le bruit de fond principal consiste alors en des ´ev´enements dibosons ZZ et W+W−.

La quantit´e de donn´ees utilis´ees pour la recherche du Higgs au LEP totalise 2,461 f b−1

pour les quatre exp´eriences ALEPH [29], DELPHI [30], L3 [31] et OPAL [32]. La combi-naison de toutes les analyses ont permis l’exclusion de la r´egion en masse inf´erieure `a 114.4 GeV `a un niveau de confiance de 95% [33]. On peut voir la courbe d’exclusion correspon-dant aux limites sup´erieures du rapport des sections efficaces observ´ees sur pr´edites par le mod`ele standard sur la figure I.19. Mentionnons que quelques ´ev´enements ressemblant `

a du signal ont ´et´e observ´es. L’acc´el´erateur a ´et´e arrˆet´e en d´ecembre 2000 et la statistique n’a pas ´et´e suffisante pour conclure.

Figure I.19 – Limite sup´erieure observ´ee et attendue `a 95% de niveau de confiance sur le rapport des sections efficaces observ´ees sur pr´edites par le mod`ele standard pour les hypoth`eses de masses inf´erieures `a 120 GeV pour l’hypoth`ese bruit de fond seulement (en pointill´es noirs) ainsi que les incertitudes associ´ees correspondant `a un ´ecart standard (bande verte) et `a deux ´

ecarts standards (bande jaune). Le trait continu rouge correspond aux mesures effectu´ees `a partir des donn´ees du LEP. On peut ainsi exclure la production d’un boson de Higgs standard d`es le moment ou ce rapport passe en dessous de l’unit´e.

I.2.3.3 La recherche au Tevatron

Le Tevatron est quant `a lui un collisioneur hadronique, il est d´ecrit en d´etail dans la section II.1. L’´energie fournie au centre de masse (1.96 TeV) permet d’atteindre la r´egion en masse o`u le boson de Higgs se d´esint`egre en paires de bosons vecteurs [34], on parle commun´ement de Higgs lourd. Les analyses vont donc ˆetre s´epar´ees en recherche d’un boson de Higgs l´eger se d´esint´egrant en une paire de quarks beaux et un Higgs lourd se d´esint´egrant en une paire de bosons d’interaction faible. On consid`ere principalement les modes de production associ´ees pour la r´egion de basse masse et les mode de production par fusion de gluons et de bosons vecteurs pour les hautes masses, n´eanmoins les deux recherches se recoupent sur une r´egion plus ou moins importante en masse. Les canaux de d´esint´egration pris en compte sont H → b¯b, H → τ−τ+, H → ZZ, H → WW et H → γγ. Leur sensibilit´e diff´erent bien entendu en fonction de la masse et la recherche du canal H → b¯b est r´eserv´ee exclusivement au mode de production associ´es pour les raisons d´ej`a ´

evoqu´ee.

I.2.3.4 La recherche au LHC

Le LHC est ´egalement un collisioneur hadronique. Il fournit actuellement (2012) une ´

energie de 8 TeV au centre de masse de la collision, faisant de lui le collisioneur le plus puissant jamais construit. Le LHC est donc capable de produire des particules de masses plus importantes, nous permettant d’observer des conditions dans lesquelles le mod`ele standard n’a pas encore ´et´e test´e et rendant possible la d´ecouverte d’hypoth´etiques parti-cules de masses importantes (SUSY ou autre). Concernant la recherche du Higgs, on peut voir sur a figure I.20 que la section efficace de production du Higgs est plus importante au LHC qu’au Tevatron. N´eanmoins, il faut tenir compte du fait que le bruit de fond multijets est ´egalement bien sup´erieur. La figure I.21pr´esente la sensibilit´e des diff´erents canaux de recherche au LHC selon la masse du boson de Higgs. Nous pouvons remarquer qu’`a basse masse les canaux t¯tH(H → b¯b), qqH → qqττ, H → γγ et qqH → qqWW(∗) sont en comp´etition.

La section efficace de production de t¯t est environ 100 fois plus importante au LHC qu’au Tevatron, ce qui explique la possibilit´e d’exploiter le canal t¯tH(H → b¯b). L’autre canal tr`es int´eressant `a basse masse est le canal H→ γγ, dont on peut voir les diagrammes de Feynman correspondant sur la figureI.22. Dans ce canal, les bruits de fonds irr´eductibles viennent des processus de Born qq→ γγ , de bremstrahlung qg → qγγ , en boˆıte gg → γγ. A l’aide d’une combinaison de tous les canaux de recherche du boson de Higgs dans les deux exp´eriences ATLAS et CMS, il est possible d’exclure une vaste r´egion en masse comme montr´e sur la figure I.23. En 2012, le LHC a permis de poser les contraintes

Figure I.20 – ^{Sections efficaces de production de plusieurs processus du mod`ele standard au} Tevatron avec des collisions p¯p et au LHC avec des collisions pp [2].

Figure I.22 –Diagrammes de Feynman des processus H → γγ.

suivantes `a 95% de niveau de confiance sur la masse du boson de Higgs [35] :

M_H < 141 & MH > 476 (GeV). (I.96)

Figure I.23 – Limites sup´erieures observ´ees et attendues `a 95% de niveau de confiance sur le rapport des sections efficaces observ´ees sur pr´edites par le mod`ele standard pour les hypoth`eses de masses inf´erieures `a 600 GeV pour l’hypoth`ese bruit de fond seulement (en pointill´es noirs) ainsi que les incertitudes associ´ees correspondant `a un ´ecart standard (bande verte) et `a deux ´

ecarts standards (bande jaune). Le trait continu rouge correspond mesures effectu´ees `a partir des donn´ees du LHC. On peut ainsi exclure d`es le moment ou ce rapport passe en dessous de l’unit´e.[3]

I.2.3.5 L’avenir de la recherche du Higgs

La fermeture du Tevatron en septembre 2011 laisse le LHC seul sur front de le recherche du Higgs. Il est certain que le futur de la recherche en physique des particules d´ependra de la d´ecouverte du boson de Higgs. Dans l’hypoth`ese de la d´ecouverte du boson de Higgs au LHC, les ´etudes devront alors porter sur ses propri´et´es. Le LHC n’est pas `a priori l’outil de pr´edilection pour des mesures fines de propri´et´es du boson de Higgs, ainsi le futur collisioneur ´electron/positron, devrait permettre une mesure plus pr´ecise. L’ensemble de ces r´esultats devrait ainsi permettre de garantir que la particule d´ecouverte correspond bien au boson de Higgs pr´edit par le mod`ele standard ou bien s’il correspond `a une extension du mod`ele standard (SUSY ou autre).

Dans le cas ou le boson de Higgs ne serait pas d´ecouvert, et donc que la r´egion de basse masse soit exclue, cela pourrait signifier que le m´ecanisme de Higgs n’est pas le moyen que la nature utilise pour donner la masse aux particules et qu’il existe un autre m´ecanisme. Ou bien cela voudrait dire que le boson de Higgs n’est pas l´eger, ce qui, comme nous l’avons vu dans la section I.2.1, ne manque pas d’entraˆıner des incoh´erences dans la th´eorie `

a des ´echelles relativement proches. Dans les deux cas, le LHC et le futur collisioneur lin´eaire e+e− devront donc rechercher les signatures exp´erimentales de ph´enom`enes de nouvelle physique, comblant les lacunes du mod`ele standard `a haute ´energie ou donnant une alternative au boson de Higgs.

I.3 Conclusion

Le mod`ele standard semble dans son tout construit de mani`ere coh´erente `a partir du postulat de l’invariance de jauge locale. De mani`ere `a combler les lacunes de ce mod`ele, le m´ecanisme de Higgs s’est impos´e comme la mani`ere la plus naturelle d’introduire la masse des particules. Bien que ce m´ecanisme n’implique pas d’explication quant `a la nature fondamentale du m´ecanisme de brisure spontan´ee de la sym´etrie ´electrofaible, il n’en reste pas moins une th´eorie effective satisfaisante.

Le boson de Higgs est la proie de pr´edilection des exp´eriences de physique des particules actuelles et les exclusions progressives du LEP, du Tevatron et du LHC ainsi que les mesures indirectes ne lui laissent plus qu’une r´egion tr`es r´eduite, surtout `a basse masse, pour se cacher.

La physique sous-jacente `a la brisure spontan´ee de la sym´etrie ´el´ectrofaibles reste hors d’atteinte du mod`ele standard, mais plusieurs mod`eles sont d´ej`a sur la rampe de d´epart et ne manqueront pas d’ˆetre investigu´es en d´etails au LHC et aupr`es des futures exp´eriences.